生化与细胞所DNA去甲基化机制研究有新发现

2011-8-08 10:35 来源: 中国科学院
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  高等生物的基因组DNA中除含有腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)四种常见的碱基形式外,还含有胞嘧啶的修饰形式:5-甲基胞嘧啶(5mC),被称为第5种碱基。而且它可以进一步被氧化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC),也被称为第6碱基。这些修饰形式在表观调控中都具有重要的作用,但它们如何被可逆转变为胞嘧啶(C)还不清楚。

  中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所的工作证明,DNA中的5mC和5hmC都可以被Tet家族的双加氧酶进一步氧化为第7种碱基:5-羧基胞嘧啶(5caC);此外,胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)可以特异性地识别这一新的碱基修饰形式,并将其从基因组中切除。8月4日,《科学》(Science)杂志在线发表了这项关于DNA去甲基化机制的研究发现。这项研究由徐国良、李林、丁建平实验室及中科院药物所等单位合作完成,副研究员贺宇飞、博士后李滨忠等承担了主要工作。

  动植物生长发育与疾病发生、发展都广泛受到表观遗传调控。目前研究得比较清楚的是胞嘧啶第5位的甲基化。它直接参与了转录调控和基因组的其他调控过程。由于胞嘧啶的甲基化会引起染色体的压缩和基因沉默,所以对于表达活跃的基因来说,它们的启动子和增强子区域的DNA往往处于低甲基化水平状态。因此,DNA的去甲基化对于沉默基因的转录重激活起着重要作用。在原始生殖细胞发生及受精后父源基因组的重塑过程中出现的大规模的去甲基化,被认为是擦除父母甲基化谱式并建立后代新的甲基化谱式的关键,这些表观遗传重编程过程中发生的去甲基化对于早期胚胎的发育及配子产生都是十分重要的。

  在此项研究发表之前,对于主动的去甲基化机制有多种猜想,包括通过直接氧化打开碳-碳键,即直接将甲基基团从甲基胞嘧啶上切除;通过酶促反应将甲基基团以甲醛的形式从5hmC上移除;以及通过DNA剪切修复将甲基胞嘧啶直接替换。但是,这些可能的途径尚未有任何一种得到生物化学或者遗传学实验的验证。尽管Tet1加氧酶从理论上推测可能执行逆转DNA甲基化的功能,但是,其去甲基化过程是如何实现是未知的。生化与细胞研究所的上述工作表明:5mC 可以被Tet蛋白氧化为5-羧基胞嘧啶(5caC),而5caC又进一步被TDG识别并切除(进而通过DNA剪切修复途径替换为没有修饰的C),从而初步阐明了一条DNA主动去甲基化的途径(5mC→5hmC→5caC→C),为研究DNA去甲基化作用及生理功能指明了方向。

  这项工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的经费支持。